Непрерывная разливка сортовой заготовки
  Раздел 7.2

Система «мягкого» механического обжатия заготовки для управления усадочными и ликвационными процессами

Мягкое обжатие позволяет уменьшить макроликвацию за счет компенсации усадки, имеющей место в процессе затвердевания, и предотвращения всасывания остатков расплава (содержащего примеси) в двухфазную зону кристаллизующейся заготовки [510, 511] (рисунок 7.9).

Оптимальная зона динамического воздействия на кристаллизующуюся сортовую заготовку для улучшения ее внутренней структуры определяется минимальной интенсивностью обжатия, которое необходимо для компенсации усадки во время затвердевания без образования внутренних трещин (рисунок 7.10).

Влияние мягкого обжатия на процесс затвердевания непрерывнолитой сортовой заготовки

Рисунок 7.9 – Влияние мягкого обжатия на процесс затвердевания непрерывнолитой сортовой заготовки [511]

Рабочий диапазон мягкого обжатия

Рисунок 7.10 – Рабочий диапазон мягкого обжатия

Вследствие того, что вероятность возникновения трещин при сжатии увеличивается с увеличением доли жидкой фазы, необходимо избегать высокой интенсивности обжатия, особенно в начальной фазе воздействия [156, 512].

По данным ряда работ, оптимальные результаты мягкого обжатия для различных скоростей разливки сортовых заготовок достигаются при доле твердой фазы: 0,2-0,9 [513, 510], 0,2-0,7 [514, 515] или 0,37-0,5 [160]. Степень обжатия, которая необходима для получения структур с низкой ликвацией, составляет от 4 до 30 мм [513, 515], при этом интенсивность обжатия находится в пределах 1,8-6,6 мм/м [513, 515], а скорость 0,72-4,7 мм/мин [160, 513]. Решающим фактором, влияющим на эффективность процесса мягкого обжатия, является точность определения глубины жидкой лунки или области с оптимальной долей жидкой фазы в центре непрерывнолитой заготовки, которая характерна для данной марки стали [160, 510, 511, 513-517, 520, 522].

Эффективность мягкого обжатия, определяемая как отношение степени внутреннего обжатия к суммарному поверхностному обжатию, при производстве непрерывнолитых сортовых заготовок составляет только 7-34% [160, 519], тогда как для других типоразмеров заготовок (например, тонких слябов) этот диапазон эффективности составляет 25-60% [520].

Теоретическое определение величины обжатия рекомендуется выполнять по следующей формуле

где D1 – суммарное обжатие, требуемое для предотвращения движения (вытекания) жидкой стали из зоны затвердевания; D2 – суммарное обжатие, требуемое для предотвращения перетекания стали при выпучивании заготовки; D3 – суммарная термическая усадка твердой фазы при понижении температуры в ходе обжатия (определяется расчетным путем на основании анализа процессов теплопереноса в зоне обжатия); – коэффициент пропорциональности, учитывающий перенос поверхности внутреннего фронта затвердевания и, соответственно, условия горячей деформации заготовки.

Наиболее целесообразно использование метода мягкого обжатия при производстве сталей, которые из-за внутренних трещин и деформации профиля, не могут подвергаться интенсивному охлаждению [160, 510, 511, 513-518, 520-522]. Так, при производстве кордовых, подшипниковых и пружинных сталей мартенситная полосчатая микроструктура, вызванная макроликвацией в литом виде, может стать причиной внутренних трещин, разрывов проволоки или вызвать проблемы при механической обработке из-за возникающей анизотропии свойств.

Между тем большая степень обжатия приводит к выпучиванию боковых граней заготовки, что увеличивает вероятность образования внутренних трещин. Этот механизм поведения твердой корочки был подтвержден нами в результате физического моделирования процесса мягкого обжатия сортовой заготовки (100x100 мм). Для моделирования мягкого обжатия сортовой заготовки была использована физическая модель, представленная на рисунке 7.11. В качестве моделирующего кристаллизующуюся непрерывнолитую заготовку вещества использовали камфен (методика моделирования подробно рассмотрена в разделе 5.1).

Вдоль двух противоположных вертикальных граней модели были вложены медные пластины (рисунок 7.11, поз.9) которые при достижении коркой определенной толщины (доли жидкой фазы) извлекались, обеспечивая свободное пространство необходимое для оценки характера деформации заготовки при сжатии горизонтальных граней. Обжатие заготовки осуществляли подвижной гранью модели с помощью винтового механизма после затвердевания заготовки на 78-85%.

Общая схема и фото лабораторной установки для моделирования процесса мягкого обжатия

Рисунок 7.11 – Общая схема и фото лабораторной установки для моделирования процесса «мягкого» обжатия: 1 – клапан регулирование подачи охлаждающей воды; 2 – термометр; 3 – расходомер; 4 – стекло; 5 – медная водоотводящая трубка; 6 – механизм перемещения грани модели; 7,8 – неподвижные и подвижная грани; 9 – медные пластины

На рисунке 7.12 представлены фотографии, иллюстрирующие характер деформации твердого каркаса сортовой заготовки при мягком обжатии (доля жидкой фазы составляла 22%) и показывающие, что уже при обжатии заготовки на 1 мм происходит выпучивание граней, расположенных перпендикулярно к направлению создаваемого усилия (рисунок 7.12 б).

Характер поведения твердой корочки при разной величине обжатия сортовой заготовки

Рисунок 7.12 – Характер поведения твердой корочки при разной величине обжатия сортовой заготовки

При величине обжатия свыше 2 мм начинают образовываться трещины в центре заготовки со стороны жидкой фазы ближе расположенной к обжимаемой грани (рисунок 7.12 в). При обжатии от 3 до 6 мм раздутие заготовки продолжается, увеличивается размер трещин, и начинают появляться трещины в верхней части центральной зоны заготовки граничащей с жидкой фазой. Наличие медной стенки с левой стороны модели, которая моделирует поддерживающую систему, препятствует выпучиванию.

Расчеты, выполненные по результатам физического моделирования, показывают, что около 65-70% изменения объема жидкой фазы обусловлено выпучиванием и некоторым выдавливанием жидкости в междендритные пространства и усадочные полости, образующиеся при кристаллизации. При этом около 30% жидкой фазы заготовки просто выдавливается из центральной части в верхние объемы модели, подтверждая тем самым высказанные выше предположения о возможности простого переливания расплава при принудительном обжатии сортовых заготовок.

В целом основной проблемой технологии мягкого обжатия заготовок является то, что к жидкой сердцевине прилагается сравнительно малая степень обжатия, а основное обжатие деформирует стенки заготовки. Это ухудшает распределение температуры по поперечному сечению и сопротивление деформации боковых стенок, что приводит к увеличению усилия необходимого для требуемой степени обжатия.

Основными условиями для успешной обработки заготовки методом «мягкого» обжатия являются [523, 524]:

  • данные о рациональном соотношении твердой и жидкой фаз в месте приложения силы обжатия в каждом конкретном случае;
  • определение эффективных значений степени и динамики обжатия с учетом прилагаемых сил;
  • наличие компьютерной системы, способной в реальном масштабе времени определять профиль затвердевания в зависимости от скорости разливки, марки стали, условий первичного и вторичного охлаждения и перегрева металла;
  • наличие следящей системы, позволяющей оперативно корректировать точку приложения сил обжатия при изменении условий разливки.

Промышленные комплексные испытания параметров мягкого обжатия проводились при непрерывной разливке сортовых заготовок сечением 150x150 мм из кордовой стали C72D и пружинной стали 54SiCr6 на шестиручьевой радиальной МНЛЗ металлургического завода «Saarstahl AG» с базовым радиусом 10,5 м, оборудованной горизонтальными сегментами для деформации не полностью затвердевших заготовок [525]. Целью первого этапа исследований было определение эффективных параметров мягкого обжатия для выбранных марок стали и изучение влияния различных скоростей разливки и доли жидкой фазы в момент деформации на структуру непрерывнолитой заготовки и степень осевой ликвации углерода. На втором этапе изучалась эффективность использования различных способов мягкого обжатия на структурообразование заготовок пружинной стали. Кроме того, были исследованы параметры модулей мягкого обжатия, выполненных в виде клети или сегментной конструкции, а также влияние на процесс обжатия диаметра валков. Поэтому два модуля мягкого обжатия сегментной конструкции были установлены после секций разгиба и вытягивания тянуще-правильной машины (ТПМ) на одном ручье МНЛЗ (рисунок 7.13).

Каждый из сегментов включал 3 пары валков диаметром 300 мм и два цилиндра с максимальным усилием 450 кН. В конструкции предусматривалось силовое или позиционное управление валками. Шаг между валками в модуле составлял 330 мм. Положение зоны мягкого обжатия относительно мениска было приближено к металлургической длине машины – 20,3-22,1м.

Непрерывное обжатие частично затвердевшей непрерывнолитой заготовки 6 валками модуля сравнивалось с более точным обжатием в модуле вытягивания, где использовались тянущие валки секций №2 и №3. Диаметр подающих роликов составлял 450 мм, деформация заготовки начиналась на расстоянии 18 м от мениска металла в кристаллизаторе, а заканчивалась на расстоянии 19,2 м при общей длине зоны обжатия 1200 мм. Так как начало этой зоны расположено за 2,30 м до сегментов, необходимо было уменьшить скорость литья приблизительно на 0,20 м/мин до 3,30 м/мин, чтобы обеспечить необходимое соотношение твердой и жидкой фаз.

Схема расположения ТПМ и секции мягкого обжатия

Рисунок 7.13 – Схема расположения ТПМ и секции мягкого обжатия

Для изменения доли жидкой фазы в соответствующей зоне мягкого обжатия, скорость разливки в ходе исследований находилась в пределах 2,8-3,6 м/мин. Степень обжатия составила 2,8 мм и 11 мм, а скорость 1,5 и 10,7 мм/мин, соответственно. Влияние расположения модуля мягкого обжатия относительно доли жидкой фазы при переходе в зону обжатия оценивалось изменением скорости разливки. Изменение параметров мягкого обжатия осуществляли после разливки двух сортовых заготовок определенной длины, чтобы получить достаточное количество экспериментальных данных. Обоснование использованных в эксперименте параметров настройки системы более подробно описано в работе [526].

Для оценки степени осевой ликвации углерода при различных параметрах обжатия были отобраны образцы длиной 1,5 м. Эти образцы были разрезаны на 70 поперечных проб для отбора из их центра стружки, необходимой для анализа степени осевой ликвации углерода.

Для определения доли закристаллизовавшейся части заготовки была использована математическая модель, учитывающая основные параметры разливки [514, 517, 527-530]. Установлено, что одним из наиболее важных параметров, влияющих на эффективность мягкого обжатия, является скорость разливки, во многом определяющая соотношение доли твердой и жидкой фазы в месте приложения деформации для каждой группы марок стали. Используемая в исследованиях математическая модель была настроена путем сравнения расчетных и измеренных температур поверхности заготовки и позволяла сопоставлять расположение внутренних трещин в твердо-жидком граничном слое с расчетными положениями нулевого усилия и нулевых изотерм пластичности.

На рисунке 7.14 приведены фотографии характерных серных отпечатков продольных темплетов сортовой заготовки, которые были обжаты тремя тянущими валками при скорости разливки 2,8-3,5 м/мин и постоянном усилии. Степень обжатия составляла 10-11 мм при интенсивности обжатия 2,4-3,1 мм/м и скорости обжатия 6,3-10,7 мм/мин. Обращает на себя внимание тот факт, что V-образная и осевая ликвация четко прослеживаются при скорости разливки 2,8 м/мин, но имеют гораздо меньшее развитие при скорости разливки 3,0 м/мин. В целом использование мягкого обжатия при доле твердой фазы 0,3-0,9 и высокой скорости обжатия (8,3 мм/мин) является достаточно эффективным для подавления осевой ликвации.

Вместе с тем, обжатие непрерывнолитой заготовки при скорости разливки 3,5 м/мин сопровождалось не только развитием V-образной ликвации (с узким углом) в центральной области заготовки, но и образованием серьезных внутренних трещин в твердо-жидком граничном слое.

Влияния доли жидкой фазы в затвердевающей заготовке во время мягкого обжатия на ее внутреннюю структуру

Рисунок 7.14 – Влияния доли жидкой фазы в затвердевающей заготовке во время мягкого обжатия на ее внутреннюю структуру

Видимо, это указывает на то, что заготовка еще не достаточно затвердела, проходя через зону обжатия, а значение доли твердой фазы на уровне 0,1-0,3 оказывается слишком низким для эффективного снижения степени ликвации.

Степень ликвации углерода по сечению заготовки определялась как отношение содержания углерода в стружке, взятой из осевой зоны непрерывнолитой заготовки к содержанию углерода в ковше. По сравнению с обычной разливкой применение мягкого обжатия приводит к снижению ликвации на 20-40%.

Непрерывное образование трещин в области фронта затвердевания при одновременном сжатии центральной области заготовки обусловливает перетекание обогащенной ликватами жидкости из осевой зоны заготовки в несимметрично расположенные трещины. Этот процесс позволяет добиться более низкого уровня осевой ликвации, но увеличивает ликвацию в зонах трещин. Эти трещины отрицательно влияют на качество готовых изделий. Рисунок 7.15 иллюстрирует связь между структурой заготовки в литом состоянии и связанной с ней микроструктурой катанки при технологических параметрах мягкого обжатия, отличных от оптимальных.

Внутренняя структура непрерывнолитой сортовой заготовки при неправильно выбранном мягком обжатии

Рисунок 7.15 – Внутренняя структура непрерывнолитой сортовой заготовки при неправильно выбранном мягком обжатии: слева – продольный серный отпечаток заготовки; справа – микроструктура катанки

На рисунке 7.16 проиллюстрировано влияние степени деформации на внутреннюю структуру пружинной стали (54SiCr6) при скорости литья 3,3-3,5 м/мин. В соответствии с этими условиями доля твердой фазы в деформируемом сечении заготовки составляла 0,4-0,8. Серные отпечатки, полученные с отобранных темплетов, подтверждают уменьшение V-образной ликвации при увеличении интенсивности обжатия с 2,27 до 2,53 мм/м.

Микроструктура сортовых заготовок, полученных с использованием мягкого обжатия

Рисунок 7.16 – Микроструктура сортовых заготовок, полученных с использованием мягкого обжатия

Наибольшего снижения V-образной ликвации удалось добиться использованием тянущих валков при интенсивности обжатия 3,69 мм/м (12,9 мм/мин). Между тем, мягкое обжатие непрерывнолитой сортовой заготовки с использованием сегментов с такой же интенсивностью (3,54 мм/м) не приводит к существенному снижению V-образной ликвации. Соответственно обжатие с использованием больших тянущих валков (диаметр 450 мм) более эффективно, чем мягкое обжатие в сегментах.

В результате проведенных исследований установлено, что мягкое обжатие прижимным роликом при интенсивности 5,60 мм/м заметно снижает V-образную ликвацию внутренней структуры. Однако полностью подавить ликвацию не удалось, поскольку наблюдается легкая полоса ликвации в центре заготовки (рисунок 7.17). Эффективность мягкого обжатия заготовки в сегментах на 6,88 мм с интенсивностью 3,91 мм/м достаточно низка и не оказывает существенного влияния на развитие V-образной ликвации.

Влияние различных конструкций устройств для мягкого обжатия на внутреннюю структуру заготовки

Рисунок 7.17 – Влияние различных конструкций устройств для мягкого обжатия на внутреннюю структуру заготовки

В целом в результате проведенных исследований было установлено [156]:

  • мягкое обжатие, является эффективным технологическим приемом для уменьшения V-образной ликвации непрерывнолитых сортовых заготовок;
  • для обеспечения высокого качества заготовок, подвергаемых мягкому обжатию, необходимо точное прогнозирование доли твердой фазы в месте деформации заготовки с жидкой сердцевиной; так, для сортовых заготовок из высокоуглеродистой стали неплохие результаты получены при величине этого показателя на уровне 0,2-0,9, а для пружинных сталей 0,4-0,8;
  • из-за низкой эффективности влияния обжатия на структуру квадратных заготовок необходимо увеличивать величину деформации до 7-10 мм, что обеспечит необходимое уплотнение осевой двухфазной зоны; при этом улучшается структура заготовки, предотвращается всасывание неметаллических примесей в твердо-жидкую зону, а также образование внутренних трещин;
  • более благоприятное влияние на уменьшение V-образной ликвации и образование сравнительно меньшего количества трещин в твердо-жидком граничном слое оказывает использование валков диаметром 450 мм в сравнении с валками диаметром 300 мм.
  • для подавления формирования V-образной ликвации необходимо обеспечить минимальную интенсивность обжатия 3,9 мм/м для модуля с двумя валками диаметром 450 мм.

Полученные результаты использованы при создании промышленного модуля мягкого обжатия на шестиручьевой радиальной МНЛЗ, с базовым радиусом 11 м, предназначенной для разливки металла на сортовые заготовки сечением 150x150 мм и 180x180 мм с максимальными скоростями соответственно 4 и 3 м/мин. Модуль мягкого обжатия имеет сегментную конструкцию и состоит из шести отдельных сегментов на каждый ручей. Каждый сегмент включает две пары валков диаметром 450 мм, управление которыми осуществляется ручным позиционированием или с помощью двух гидравлических цилиндров с максимальной силой прижатия 600 кН каждый. Наличие большого количества точек приложения усилия сжатия позволяет рассредоточить процесс деформации заготовки на участке длиной в 8 метров. Это снижает вероятность образования внутренних трещин в твердом каркасе заготовки. Кроме того, в зависимости от конкретных условий разливки место начала и окончания процесса деформации может быть скорректировано за счет вывода из работы нескольких пар крайних роликов. Это дает возможность варьировать скорость разливки и режимы охлаждения заготовки.

Исследование эффективности такой конструкции модуля мягкого обжатия МНЛЗ, было проведено при получении сортовых заготовок из высокоуглеродистой стали C66D, содержащей 0,7 % углерода. На рисунке 7.18 представлены серные отпечатки темплетов, отобранных от заготовок сечением 150x150 мм, разлитых со скоростью 3,5 м/мин и обжатых на 9 мм.

Влияние мягкого обжатия на формирование осевой ликвации в сортовой заготовке высокоуглеродистой стали

Рисунок 7.18 – Влияние мягкого обжатия на формирование осевой ликвации в сортовой заготовке высокоуглеродистой стали (продольные темплеты)

Как видно из приведенных фотографий, для заготовок без мягкого обжатия наблюдается явно выраженная осевая ликвация, а заготовки, отлитые с мягким обжатием, имеют менее выраженную ликвацию и более однородную структуру. V-образная ликвация в результате мягкого обжатия подавлена практически полностью и не прослеживается в структуре осевой зоны.

Обобщая рассмотренные промышленные результаты, следует отметить, что для успешной обработки сортовой заготовки методом мягкого механического обжатия необходимо соблюдать определенную совокупность технических и технологических условий:

  • наличие данных об оптимальном соотношении твердой и жидкой фазы в месте приложения усилия обжатия применительно к конкретным условиям;
  • определение величины оптимальных значений степени обжатия, значений прилагаемых усилий и динамики приложения усилия обжатия;
  • наличие автоматической системы, способной в реальном масштабе времени определять профиль затвердевания в зависимости от скорости литья, марки сталей, условий первичного и вторичного охлаждения и перегрева металла в промковше;
  • наличие автоматической системы, позволяющей оперативно корректировать точку приложения усилия обжатия в зависимости от изменения условий разливки.
  Раздел 7.2
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ